王成
摘 要:汽車工業(yè)屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),如何設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越、安全可靠的產(chǎn)品,一直是各個(gè)企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。文章根據(jù)有限元理論,以某公司生產(chǎn)的工程車輛邊梁式車架為研究對(duì)象,分析其靜態(tài)特性,以期為后續(xù)的車架改進(jìn)提供參考依據(jù)和思路。
關(guān)鍵詞:有限元法;重型載貨汽車;車架;靜態(tài)分析
中圖分類號(hào):U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-1064(2021)11-086-03
DOI:10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.029
在重載汽車中,車架尤為重要,良好的車架設(shè)計(jì)能夠以最小質(zhì)量獲得良好的強(qiáng)度與剛度,促進(jìn)車動(dòng)力性能大幅提升,同時(shí)全面改善行車的安全性、可靠性,現(xiàn)已成為改善重型貨運(yùn)車輛應(yīng)用性能的一項(xiàng)熱點(diǎn)課題[1]。
1 重型載貨汽車車架簡介
文章研究的重型載貨汽車為某公司設(shè)計(jì)的水泥攪拌車,其車架在實(shí)際工況中承載著較大載荷,故選取了邊梁式車架,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 車架有限元模型建立
在HyperMesh軟件中,能夠比較簡單輕松地控制網(wǎng)格質(zhì)量。通過交互式進(jìn)行劃分,基于此,劃分的網(wǎng)格能夠利用調(diào)整參數(shù)的方式獲得符合要求的尺寸及分布位置。文章在綜合考慮車架尺寸等各方面因素的基礎(chǔ)上,將網(wǎng)格大小取值為10 mm,對(duì)于平面網(wǎng)格,自動(dòng)劃分往往可以獲得良好的劃分結(jié)果。劃分后的車架有限元模型如圖1所示,此模型共包含234 437個(gè)節(jié)點(diǎn)、230 323個(gè)單元,車架材料選用WL510。
3 車架靜態(tài)分析
3.1 車架基本載荷的確定
分析車架受力情況過程中,第一步需要科學(xué)合理地明確車架基本載荷,其承載主要包括:發(fā)動(dòng)機(jī)730 kg,駕駛室總成890 kg,變速箱190 kg,油箱及燃油370 kg,貨物12 000 kg,車架自重1 100 kg,人員180 kg,備胎140 kg等。
為了將上述載荷科學(xué)合理地分布于車架之上,應(yīng)公平合理地分配載荷。在處于滿載狀態(tài)時(shí),貨物是車架承受的重要載荷,鑒于車架的結(jié)構(gòu)特征,可將貨物以均布載荷的形式進(jìn)行布設(shè)[2]。在實(shí)踐中,一般會(huì)發(fā)生超載現(xiàn)象,所以文章將滿載貨物載重量的1.5倍增添至車架上,將其載荷規(guī)范合理地轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭?qiáng),均衡地落在各個(gè)網(wǎng)格上。而變速器等相關(guān)附屬設(shè)備則直接按照集中載荷的形式進(jìn)行布設(shè),車架的自重可按照密度的大小折算至車架上,關(guān)于載荷的分布形式,如圖1所示。
3.2 約束條件
在遵循下述原則的基礎(chǔ)上,對(duì)模型增設(shè)合適的約束條件:確保約束充分,以此抵消結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的剛體位移;避免出現(xiàn)過約束的情形,否則會(huì)出現(xiàn)反力。
文章將為車輪施予合適的約束,即車橋部位,車橋的兩端均配備了堅(jiān)固的車輪,可將其看作是剛體,所以為其添加約束是合理可行的。
3.3 滿載彎曲工況分析
為了客觀全面地評(píng)價(jià)車架剛度及產(chǎn)生于車架的應(yīng)力,科學(xué)合理地明確變形及應(yīng)力突變部位,需要對(duì)包括縱梁斷面處等在內(nèi)的一系列相關(guān)特征點(diǎn)處的擾度及應(yīng)力,展開科學(xué)合理的求解,其分析結(jié)果如圖2、圖3所示。
根據(jù)變形圖能夠清晰直觀地了解到,車架最大變形為21.06 mm。其中,懸架變形尤為明顯,多達(dá)13.38 mm。由此可知,車架實(shí)際變形是7.68 mm,遠(yuǎn)小于其容許值10 mm,這意味著車架設(shè)計(jì)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn),抗變形性較強(qiáng)。
根據(jù)圖3能夠了解到,車架的最大應(yīng)力為238.1 MPa,本車架采用的是韌性強(qiáng)、硬度高的WL510鋼材材料,其屈服最大值為350 MPa,表明在滿載1.5倍的狀態(tài)下,車架并不符合危險(xiǎn)工況。因此,設(shè)計(jì)滿足要求,其應(yīng)力多低于52.9 MPa,車架有較大的優(yōu)化空間。
3.4 彎扭組合工況分析
汽車在正常行駛時(shí),如果某車輪壓到障礙物或者落至某坑洞,車輪在處于懸空狀態(tài)或者被障礙物抬起時(shí),車架勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的扭曲[3]。在彎扭組合工況下,車架受扭力的影響,無論是強(qiáng)度還是變形,均會(huì)發(fā)生明顯變化,這是一種相對(duì)危險(xiǎn)的工況,其分析結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)圖4可知,最大變形形成于縱梁左前部位,其變形值為25.09 mm,懸架變形14.94 mm,車架實(shí)際最大變形為10.15 mm。
根據(jù)應(yīng)力分布圖5可知,應(yīng)力峰值為309 MPa,出現(xiàn)于節(jié)點(diǎn)號(hào)為290 768的位置,即第一橫梁和車架連接的部位,其值低于屈服極限。
3.5 緊急制動(dòng)工況分析
如圖6所示,車架最大變形出現(xiàn)在前端位置,這和汽車緊急制動(dòng)的工況相契合,最大變形為26.2 mm。其中,懸架變形為14.1 mm,由此可推導(dǎo)出車架變形為12.1 mm。
根據(jù)圖7能夠了解到,受緊急制動(dòng)的影響,車架應(yīng)力明顯增大,彎曲程度也顯著提升,最大應(yīng)力可達(dá)401.2 MPa,集中分布于吊耳模擬連周圍位置,與廠商反饋相一致。所以,應(yīng)采取有效措施提高吊耳連接位置的強(qiáng)度。
4 結(jié)語
使用有限元法參與汽車設(shè)計(jì),可以縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約材料,在滿足各種設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí),降低車架重量。可以評(píng)估多種設(shè)計(jì)方案,預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命以及可靠性等性能,從而確定最佳設(shè)計(jì)方案,這些對(duì)于改善車架設(shè)計(jì)具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 梁劍.車架靜力試驗(yàn)與有限元靜力分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,22(6):72-73.
[2] 楊永鑫,馮川.重型卡車車架有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2020(6):56-59.
[3] 智淑亞,許牧天,李繼秋.基于ANSYS的車架有限元分析[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào),2019(9):89-92.